传统的对靶变量喷雾机可以探测出靶标区域内病虫草害的分布情况和差异,从而执行实时、非均一、非连续的精准喷雾作业,实现按需施药。但对靶变量喷雾作业受自然风的影响较大,导致靶标区域与雾滴沉积区域无法完全匹配。在对靶变量喷雾机上加装风幕系统,产生的风幕气流可以抑制自然风的飘移作用,增加雾滴的靶向性能。然而,变化的自然风和复杂的靶标区域实际情况给风幕气流辅助下的对靶变量施药作业带来困难,亟需探明在自然风和风幕气流影响下对靶变量施药作业的雾滴沉积和靶向分布规律。因此,本文在查阅大量国内外文献的基础上,研制了一台可调节风幕气流速率和喷嘴施药体积率的风幕式变量喷杆喷雾机,对风幕式喷杆喷雾气液两相流场中的雾滴沉积和靶向分布规律进行了试验研究、数值模拟和参数优化,应用响应曲面法开展了多工况优化工作,获得对靶变量施药作业的最优工况点,并通过了田间试验验证。本文的主要内容及相关结论如下:研制了一台可调节风幕气流速率和喷嘴施药体积率的风幕式变量喷杆喷雾机,主要结构包括:喷雾机底盘、喷杆架组件、喷雾系统、风幕系统和视觉系统等。风幕式变量喷杆喷雾机的喷头喷雾量一致性、风幕出风口风速均匀性试验结果均满足设计要求,可以进行后续的施药作业。对风幕式变量喷杆喷雾机进行风洞试验,试验结果表明:喷嘴施药体积率保持恒定,当自然风速增大时,提高风幕气流速率可以增加雾滴沉积量,但防飘效果趋于稳定;风幕气流速率保持恒定,当自然风速增大时,提高喷嘴施药体积率可以增加雾滴沉积量,但雾滴的沉积性能逐渐下降。对风幕式变量喷杆喷雾机进行靶向性能试验,试验结果表明:喷嘴施药体积率保持恒定,当自然风速增大时,提高气流速率可以降低雾滴沉积质量中心距,但降低趋势逐渐趋于稳定。风幕气流速率保持恒定,当自然风速增大时,提高喷嘴施药体积率可以增加雾滴沉积质量中心距,但雾滴的靶向性能逐渐下降。应用Ansys Fluent流体力学软件,采用离散相模型、标准k-?模型,对风幕式喷杆喷雾气液两相流场中雾滴的运动过程进行数值模拟,获得气流的速度分布云图和雾滴的运动轨迹。轨迹显示:雾滴本身具有的速度逐渐被空气阻力抵消,受水平方向自然风的影响而发生飘移。风幕气流可以加速雾滴在竖直方向的运动,缩短雾滴的滞空时间,显著减少雾滴的飘移损失。比较分析数值模拟结果与靶向性能试验的雾滴沉积质量中心距计算结果,两组数据高度吻合,证明建立的风幕式喷杆喷雾气液两相流场模型是合理的,能较为准确的模拟风幕式变量喷杆喷雾机对靶变量施药作业过程。应用响应曲面法,对风幕式喷杆喷雾气液两相流场数值模拟的计算结果进行多工况优化,引入两个响应值:抗飘移系数f、雾滴沉积质量中心距D。根据响应曲面法的试验设计,对优化变量和响应值进行拟合,获得回归方程和多因素交互效应对抗飘移系数f和雾滴沉积质量中心距D的影响。多因素交互效应表明:抗飘移系数f随着气流速率的增加而升高,当自然风速、喷嘴施药体积率处于零水平,气流速率处于高水平时,雾滴的抗飘移性最好。雾滴沉积质量中心距D随着气流速率的增加而降低,当自然风速和喷嘴施药体积率处于零水平,气流速率处于高水平时,雾滴沉积区域和靶标区域的偏移程度最小,雾滴的靶向分布性能最好。运用优化算法,同时求解抗飘移系数f的最大值和雾滴沉积质量中心距D的最小值,对于自然风速约为4m/s的工况,喷嘴施药体积率为0.00815kg/s,气流速率为15.13m/s时的喷雾性能最优,此时,f=80.77%,D=163.73mm。经过田间试验验证,此工况点与田间试验的最优喷雾工况点十分接近,证明对数值模拟计算结果进行多工况优化的方法是合理的,为后续对靶喷雾作业控制策略的优化提供了理论依据。